架空乘人裝置斷繩抓捕保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李 偉， 原韶森

（山西潞安郭莊煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 長(zhǎng)治 046600）

引言

煤礦安全生產(chǎn)一直以來(lái)備受作業(yè)人員和企業(yè)的關(guān)注。煤礦的運(yùn)輸對(duì)象包括煤炭、矸石、設(shè)備及人員等。其中，針對(duì)煤炭、矸石以長(zhǎng)距離、大運(yùn)量及高運(yùn)速以帶式輸送機(jī)為主；針對(duì)設(shè)備以提升機(jī)為主；針對(duì)人員的運(yùn)輸可以采用提升機(jī)、架空乘人裝置。架空乘人裝置作為輔助運(yùn)輸設(shè)備，其主要針對(duì)斜井、斜巷及平巷礦井開采時(shí)人員的運(yùn)輸。在實(shí)際生產(chǎn)中，架空乘人裝置常見的故障類型包括越位，抱索器打滑，鋼絲繩脫落、斷裂，過(guò)速及大幅度擺動(dòng)等[1]。本文針對(duì)架空乘人裝置的保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行重點(diǎn)設(shè)計(jì)。

1 架空乘人裝置保護(hù)系統(tǒng)概述

架空乘人裝置作為煤礦運(yùn)輸?shù)妮o助運(yùn)輸設(shè)備，其可有效解決作業(yè)人員從地面至工作面遠(yuǎn)距離乘坐的問(wèn)題，主要適用于斜井、平巷等礦井開采人員的運(yùn)輸。目前，架空乘人裝置保護(hù)系統(tǒng)以機(jī)械安全保護(hù)和電控保護(hù)為主。其中，機(jī)械安全保護(hù)顧名思義為機(jī)械性保護(hù)裝置，其主要包括閘盤制動(dòng)保護(hù)、液壓制動(dòng)保護(hù)和吊椅制動(dòng)保護(hù)；電控保護(hù)的核心理念為根據(jù)架空乘人裝置的運(yùn)行狀態(tài)并結(jié)合理想運(yùn)行工況，綜合判定是否需對(duì)設(shè)備進(jìn)行保護(hù)，該保護(hù)措施能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)架空乘人裝置的預(yù)防保護(hù)[2]。

經(jīng)調(diào)查研究可知，當(dāng)前針對(duì)架空乘人裝置主要保護(hù)的對(duì)象及類型包括對(duì)架空乘人裝置的越位保護(hù)（機(jī)頭、機(jī)尾）、飛車保護(hù)、吊椅的大幅度擺動(dòng)保護(hù)及緊急制動(dòng)保護(hù)。結(jié)合2011 年我國(guó)煤炭行業(yè)針對(duì)架空乘人裝置發(fā)布的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，要求架空乘人裝置保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)滿足如下保護(hù)功能：架空乘人保護(hù)裝置可實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備全程的緊急停車保護(hù)；架空乘人保護(hù)裝置可實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備機(jī)頭或機(jī)尾可能出現(xiàn)越位的保護(hù)；架空乘人保護(hù)裝置可實(shí)現(xiàn)對(duì)其所牽引鋼絲繩的偏移、掉繩的保護(hù)；架空乘人保護(hù)裝置具備對(duì)尾輪限位的保護(hù)；架空乘人保護(hù)裝置具備對(duì)下限保護(hù)的功能；架空乘人保護(hù)裝置具備對(duì)設(shè)備出現(xiàn)速度超限的保護(hù)；架空乘人保護(hù)裝置可對(duì)其變速箱、驅(qū)動(dòng)電機(jī)溫度超限進(jìn)行保護(hù)；架空乘人保護(hù)裝置可對(duì)變速器內(nèi)潤(rùn)滑油的液位不足等進(jìn)行保護(hù)；架空乘人保護(hù)裝置可對(duì)設(shè)備鋼絲繩斷裂的現(xiàn)象進(jìn)行緊急制動(dòng)保護(hù)。

針對(duì)架空乘人裝置保護(hù)系統(tǒng)主要采用上位機(jī)與下位機(jī)相結(jié)合的方式進(jìn)行故障獲取、故障分析以及故障對(duì)策三方面的操作，主要采用相應(yīng)傳感器對(duì)不同故障的特征參數(shù)進(jìn)行獲取，并通過(guò)PLC 控制器對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而得出相應(yīng)的故障保護(hù)策略[3]。一般故障保護(hù)涉及的相關(guān)硬件，見表1。

表1 架空乘人裝置保護(hù)系統(tǒng)關(guān)鍵硬件

綜上，目前架空乘人裝置保護(hù)系統(tǒng)針對(duì)其存在一般故障問(wèn)題均能夠起到有效的保護(hù)作用。但是，針對(duì)架空乘人裝置鋼絲繩的保護(hù)還尚未成熟。因此，本文將重點(diǎn)針對(duì)架空乘人裝置鋼絲繩缺乏斷繩保護(hù)功能進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 斷繩抓捕保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

鑒于煤礦生產(chǎn)環(huán)境相對(duì)惡劣，要求應(yīng)用于煤礦的設(shè)備均具備“防爆合格證”“煤安證”及“合格證”。針對(duì)架空乘人裝置斷繩保護(hù)系統(tǒng)，首先需滿足防爆的性能，借鑒其他保護(hù)系統(tǒng)針對(duì)鋼絲繩斷繩抓捕保護(hù)系統(tǒng)基于PLC 控制器為核心，對(duì)鋼絲繩張力、位移等特征參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)判斷后，擬采用斷繩抓捕器對(duì)鋼絲繩進(jìn)行抓捕。因此，針對(duì)架空乘人裝置斷繩抓捕系統(tǒng)的核心為斷繩抓捕器、鋼絲繩狀態(tài)特征參數(shù)的獲取及指令的執(zhí)行。

2.1 斷繩抓捕器的設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)斷繩抓捕器在實(shí)際應(yīng)用中存在抱索力過(guò)大導(dǎo)致鋼絲繩被截?cái)嗟膯?wèn)題，導(dǎo)致二次斷繩事故的發(fā)生。為解決此類問(wèn)題，在傳統(tǒng)斷繩抓捕器的基礎(chǔ)上新增一個(gè)伺服電機(jī)，避免斷繩抓捕器突然收縮所引發(fā)的抱索力過(guò)大導(dǎo)致的鋼絲繩斷裂的問(wèn)題[4]。

結(jié)合上述設(shè)計(jì)理念，本文所設(shè)計(jì)斷繩抓捕器的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 斷繩抓捕器結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 斷繩抓捕系統(tǒng)關(guān)鍵硬件的選型

斷繩抓捕器的正確動(dòng)作和抓捕效果在很大程度上受制于對(duì)鋼絲繩運(yùn)行狀態(tài)特征參數(shù)的獲取，主要是對(duì)安全閘之間的間隙和鋼絲繩張力的檢測(cè)，涉及的傳感器包括位移傳感器和張力傳感器，各傳感器的選型結(jié)果及參數(shù)見表2。

表2 斷繩抓捕系統(tǒng)關(guān)鍵傳感器選型

2.3 斷繩抓捕系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

同樣，架空乘人裝置斷繩抓捕系統(tǒng)的核心控制器為S7-300 型PLC 控制器，而對(duì)架空乘人裝置保護(hù)系統(tǒng)中的監(jiān)控從站所采用PLC 控制器的類型為S7-200 型[5]。具體控制流程為：對(duì)張力傳感器和位移傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，判斷是否應(yīng)該運(yùn)行斷帶抓捕器?？刂屏鞒倘鐖D2 所示。

圖2 斷帶抓捕系統(tǒng)控制流程圖

3 結(jié)論

1）采用S7-300 型PLC 控制器為核心對(duì)鋼絲繩的斷繩抓捕進(jìn)行控制；

2）在傳統(tǒng)斷繩抓捕器的基礎(chǔ)上新增伺服電機(jī)，解決抱索力過(guò)大導(dǎo)致二次事故發(fā)生的問(wèn)題；

3）完成對(duì)斷繩抓捕系統(tǒng)涉及的關(guān)鍵傳感器和控制流程的設(shè)計(jì)。